“腳手架”結(jié)構(gòu)助力熱穩(wěn)定有機太陽能電池

:溶液法加工的有機太陽能電池由于具有優(yōu)越的機械柔性、可調(diào)節(jié)的吸光性以及可卷對卷生產(chǎn)的特點，近年來受到研究學者們的廣泛關(guān)注，目前其光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)提升至15%。然而有機太陽能材料的不穩(wěn)定性問題依然是其商業(yè)化的一大阻力。有機太陽能電池的活性材料主要由給體和受體兩種材料共混組成。但是在工作條件下，溫度升高會使得活性層的形貌發(fā)生改變，比如高分子會發(fā)生遷移、受體會團聚等，這些亞穩(wěn)態(tài)的形貌會導致有機太陽能電池在高溫下的失效。目前，大多數(shù)報道的提升穩(wěn)定性策略都是通過對活性層的改良和設計，而很少通過界面層的修飾來提高整體電池的穩(wěn)定性。

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因此，加州大學洛杉磯分校（UCLA）楊陽教授團隊通過使用一種“腳手架”結(jié)構(gòu)的電子傳輸層（ETL）來解決此問題。與傳統(tǒng)的平板傳輸層不同，新型電子傳輸層具有介孔結(jié)構(gòu)，可增加與活性層之間的界面從而提高電荷的收集，相比于平板結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了11%左右的光電轉(zhuǎn)換效率提升；更重要的是，這種介孔結(jié)構(gòu)還在一定程度上阻止活性層在高溫條件下形貌的變化，在120 ℃加熱老化測試60分鐘后，仍然保持著約70%的原始轉(zhuǎn)換效率。該文發(fā)表在最近在Cell Press旗下的材料旗艦期刊Matter上，第一作者為王睿。

圖1. （A,B）平板結(jié)構(gòu)與“腳手架”結(jié)構(gòu)對比；（C）活性層給受體的分子結(jié)構(gòu)。圖片來源：Matter

為了研究該“腳手架”結(jié)構(gòu)ETL在有機太陽能電池中所扮演的角色，作者通過原子力電子顯微鏡以及掃描電子顯微鏡分別對平板氧化鋅、平板氧化鈦以及介孔氧化鈦樣品進行了測試?？梢钥闯?，無論平板的氧化鋅材料還是平板的氧化鈦材料都表現(xiàn)出連續(xù)且平滑的形貌，粗糙度都在1 nm左右。而相對的，介孔氧化鈦的粗糙度在27.2 nm并且表面由一些小顆粒組成。這種形貌會增加與活性層之間的界面面積，從而可能提高電荷收集的效率。與此同時，這種介孔結(jié)構(gòu)也在阻擋高溫下活性層形貌變化的過程中起到關(guān)鍵作用。

圖2. 電子傳輸層的形貌表征。圖片來源：Matter

基于此策略制備出的有機太陽能電池顯現(xiàn)出了更高的光電轉(zhuǎn)換效率，與基于平板氧化鈦的有機太陽能電池相比，其平均光電轉(zhuǎn)換效率從9.4%提高到了10.6%，最高效率達到了11.2%。其中，短路電流（Jsc）從17.7 mA cm-2提高到了20.1 mA cm-2，這與外量子效率（EQE）的測試結(jié)果一致。填充因子（FF）從67.2 %提高到了68.3%。短路電流和填充因子的提高可以歸于“腳手架”結(jié)構(gòu)所帶來的電子傳輸層與活性層之間的界面面積的增加，從而提高了電荷的抽取與收集，這與之前的原子力顯微鏡以及掃描電子顯微鏡所觀察到的形貌結(jié)果一致。這種“腳手架”結(jié)構(gòu)ETL除了能使基于富勒烯受體的有機太陽能電池的效率明顯提高，在基于非富勒的有機太陽能電池中也起到了類似的作用，這闡明了該種策略的普適性。除了光電轉(zhuǎn)換效率的提高，基于這種“腳手架”結(jié)構(gòu)的器件也顯示出了顯著提高的熱穩(wěn)定性。作者使用120 ℃加熱老化60分鐘的條件進行測試，發(fā)現(xiàn)基于平板傳輸層的有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率迅速衰減，60分鐘后只能保持40%左右的初始效率。此結(jié)果與之前的相關(guān)報道一致，原因涉及給受體形貌的亞穩(wěn)態(tài)導致高溫下聚合物的遷移以及小分子團聚。與此相反，基于“腳手架”結(jié)構(gòu)ETL的器件在加熱60分鐘后，光電轉(zhuǎn)換效率仍然可以保持70%的初始效率。

圖3. （A）“腳手架”結(jié)構(gòu)與平板結(jié)構(gòu)對比電池的光伏特性對比；（B）“腳手架”結(jié)構(gòu)與平板結(jié)構(gòu)對比電池的外量子轉(zhuǎn)換效率對比；（C）“腳手架”結(jié)構(gòu)與平板結(jié)構(gòu)對比電池的熱穩(wěn)定性對比。圖片來源：Matter

為了更好地理解有機太陽能電池效率的提高的原因，作者進一步對引入“腳手架”結(jié)構(gòu)ETL的器件和平板結(jié)構(gòu)的有機太陽能電池進行了載流子抽取和載流子收集的修正光電流測試。修正的光電流定義為器件在光照下和暗態(tài)的電流之差。如果所加的偏壓足夠大，那么可以認為所有的光生載流子全部都會被收集，也就是飽和電流。修正光電流與飽和電流的比代表著太陽能電池的載流子抽取和收集效率。該測試結(jié)果顯示，基于介孔氧化鈦結(jié)構(gòu)的有機太陽能電池的修正電流優(yōu)先飽和，顯示出了更強的載流子抽取和收集能力，這與介孔傳輸層增加了電子傳輸層與活性層之間的界面面積相關(guān)。

圖4. “腳手架”結(jié)構(gòu)與平板結(jié)構(gòu)作為傳輸層的電荷收集效率對比。圖片來源：Matter

為了進一步深入研究“腳手架”結(jié)構(gòu)在抑制有機活性層高溫下形貌變化中的作用，作者對基于不同傳輸層的有機薄膜熱退化過程前后的微觀結(jié)構(gòu)進行了研究。在掠入射X射線衍射測試中，作者發(fā)現(xiàn)在熱退化測試前，基于所有不同傳輸層的薄膜上面都表現(xiàn)出了混合的“face on”或者“edge on”的排列。在熱退化測試之后，基于平板傳輸層的活性層的薄膜變成了隨機排列的取向。與此相反，基于“腳手架”結(jié)構(gòu)的薄膜仍保持原有的混合的“face on”或者“edge on”的排列。這與“腳手架”結(jié)構(gòu)ETL的有機太陽能電池的良好熱穩(wěn)定性相一致。

圖5. 活性層材料在不同傳輸層上的熱穩(wěn)定測試前后的GIXD對比。圖片來源：Matter

綜上，楊陽教授團隊通過設計具有介孔結(jié)構(gòu)的“腳手架”電子傳輸層，同時提高了有機太陽能電池的熱穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率，原因在于這種介孔結(jié)構(gòu)帶來了電子傳輸層與活性層之間界面面積的增加，并且可以阻擋高溫下活性層的形貌變化。這一策略有望幫助制造熱穩(wěn)定有機太陽能電池，從而推動其商業(yè)化發(fā)展。

原標題:UCLA楊陽團隊Matter：“腳手架”結(jié)構(gòu)助力熱穩(wěn)定有機太陽能電池